專利名稱：采用浸沒鑄造技術(shù)制備金屬基質(zhì)復(fù)合體的方法及由該方法制備的產(chǎn)品的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種制備金屬基質(zhì)復(fù)合體的新方法。具體地講，將填料的可滲透體制成預(yù)型體;滲透增強(qiáng)劑和/或其前體和/或滲透氣氛至少在過程中的某一階段(或某一時(shí)刻)與預(yù)型體相聯(lián)系，使得當(dāng)預(yù)型體放入熔融基質(zhì)金屬中時(shí)，該金屬自發(fā)滲入預(yù)型體。這里也使用了一種使預(yù)型體至少部分保持在熔融基質(zhì)金屬表面之下的裝置。
含有金屬基質(zhì)和加強(qiáng)或增強(qiáng)相(如陶瓷顆粒、晶須、纖維等)的復(fù)合產(chǎn)品對(duì)于許多應(yīng)用顯示出廣闊的前途，因?yàn)樗鼈兙哂性鰪?qiáng)相的部分剛性和耐磨性以及金屬基質(zhì)的可延伸性和韌性。一般來說，金屬基質(zhì)復(fù)合體與整塊基體金屬相比，將表現(xiàn)出在強(qiáng)度、剛性、接觸耐磨性和高溫強(qiáng)度保持性等性能方面的改進(jìn)，但是對(duì)任何給出的性能可能被改進(jìn)的程度主要取決于特定的組分，它們的體積或重量比，以及在形成該復(fù)合體中如何處理這些組分。在某些情況下，這種復(fù)合體在重量上還可能比基質(zhì)金屬本身更輕。例如，用陶瓷(如顆粒、片晶或晶須狀的碳化硅)增強(qiáng)的鋁基復(fù)合體是令人感興趣的，因?yàn)橄鄬?duì)于鋁而言，它們的具有更高的剛性、耐磨性和高溫強(qiáng)度。
許多冶金方法被介紹用于生產(chǎn)鋁基復(fù)合體，這些方法包括以使用加壓澆鑄、真空澆鑄、攪拌和潤濕劑的粉末冶金技術(shù)和液體-金屬滲透技術(shù)為基礎(chǔ)的方法。采用粉末冶金技術(shù)時(shí)，使粉末狀的金屬和粉末、晶須、切斷的纖維等形式的增強(qiáng)材料混合，然后進(jìn)行冷壓和燒結(jié)或進(jìn)行熱壓。已報(bào)道出用這種方法生產(chǎn)的碳化硅增強(qiáng)的鋁基復(fù)合體中最大的陶瓷體積比在晶須情況下約為25%(體積)，在顆粒的情況下約為40%(體積)。
利用常規(guī)工藝方法通過粉末冶金技術(shù)生產(chǎn)金屬基質(zhì)復(fù)合體對(duì)可得到的產(chǎn)品的性能產(chǎn)生一定的限制。該復(fù)合體中陶瓷相的體積比在顆粒情況下典型地限制為約40%。另外，加壓操作還會(huì)對(duì)可得到的實(shí)際尺寸產(chǎn)生限制。在沒有后續(xù)加工(如成形或機(jī)械加工)或不借助于復(fù)雜壓制的條件下，只有可能產(chǎn)生相對(duì)簡單的產(chǎn)品形狀。再有，由于壓實(shí)體中的分凝和晶粒生長會(huì)造成顯微結(jié)構(gòu)的非均勻性外，在燒結(jié)期間會(huì)發(fā)生不均勻收縮。
在1976年7月20日授予J.C.Cannell等人的美國專利第3，970，136號(hào)中，敘述了一種形成金屬基質(zhì)復(fù)合體的方法，所說的復(fù)合體中結(jié)合有具有預(yù)定纖維取向模式的纖維增強(qiáng)材料，如碳化硅或氧化鋁晶須。這種復(fù)合體的制備是通過在一個(gè)具有熔融基質(zhì)金屬(如鋁)的儲(chǔ)池的模中在至少部分板之間放置共平面纖維的平行板或氈，然后對(duì)熔融金屬施加壓力使其滲入所說的板并環(huán)繞在定向纖維周圍。也可能把熔融金屬倒在所說板的堆積體上，然后施加壓力使其流入板之間。已報(bào)道出在這種復(fù)合體中增強(qiáng)纖維的填充量高達(dá)約50%(體積)。
鑒于上述滲透方法取決于施加在熔融基質(zhì)金屬上使其通過纖維板堆積體的外部壓力，因此該方法受到壓力誘導(dǎo)的流動(dòng)過程的多變性的影響，即可能形成非均勻性基體，孔隙等。即使熔融金屬可能在纖維堆積體中的許多位置引入，也可能造成性能的不均勻性。因此，需要提供復(fù)雜的板/儲(chǔ)池排列和流動(dòng)通道，以實(shí)現(xiàn)在纖維板堆積體上的充分均勻滲透。另外，上述壓力滲透法只使得到的基質(zhì)體積獲得較低量的增強(qiáng)材料，這是由于滲入一個(gè)大板體積中所故有的困難性所致。再有，要求模具在壓力下盛裝熔融金屬，這就增加了工藝過程的費(fèi)用。最后，僅限于滲透排列好的顆粒或纖維的上述方法不能用來形成用無規(guī)則取向的顆粒、晶須或纖維形式材料增強(qiáng)的鋁金屬基復(fù)合體。
在鋁基氧化鋁填充的復(fù)合體的制造中，鋁不能容易地潤濕氧化鋁，因此難于形成粘結(jié)產(chǎn)品。針對(duì)這一問題，曾建議過使用各種溶液。一種方法是用一種金屬(如鎳或鎢)涂敷所說氧化鋁，然后使其與鋁一同進(jìn)行熱壓。在另一種方法中，使所說的鋁與鋰合金化，并且可以用二氧化硅涂敷所說的氧化鋁。但是，這些復(fù)合體在性能方面表現(xiàn)出各種變化，或者，所說的涂層會(huì)降低填料的質(zhì)量，或者所說的基體含有能影響基體性能的鋰。
授予R.W.Grimshaw等人的美國專利4，232，091克服了在生產(chǎn)鋁基氧化鋁復(fù)合體中遇到的某些困難。這一專利敘述了對(duì)熔融鋁(或熔融鋁合金)施加75～375kg/平方厘米的壓力使其滲入已預(yù)熱到700～1050℃的氧化鋁纖維或晶須的板中。在得到的固體鑄體中氧化鋁對(duì)金屬的最大體積比為0.25/1。由于取決于完成滲透的外界壓力，所以這種方法受到許多與Cannell等人專利的同樣缺點(diǎn)的影響。
歐洲專利公報(bào)115，742敘述了通過用熔融鋁充填預(yù)成型的氧化鋁基質(zhì)的孔隙來制造鋁-氧化鋁復(fù)合體的方法，這種鋁-氧化鋁復(fù)合體特別適用于電解池組分。該申請(qǐng)強(qiáng)調(diào)了鋁對(duì)氧化鋁的非潤濕性，因此采用各種方法來潤濕整個(gè)預(yù)型體中的氧化鋁。例如，用一種潤濕劑，即鈦、鋯、鉿或鈮的二硼化物或者用一種金屬，即鋰、鎂、鈣、鈦、鉻、鐵、鈷、鎳、鋯或鉿來涂敷氧化鋁。采用惰性氣氛(如氬氣)以促進(jìn)潤濕。這一參考文獻(xiàn)還表示出施加壓力導(dǎo)致熔融鋁滲入未涂敷的基質(zhì)中。在這一方面，滲透是在惰性氣氛(如氬氣)中通過抽空氣孔，然后向所說的熔融金屬施加壓力來實(shí)現(xiàn)。另一方面，這種預(yù)型體也以在用熔融鋁滲透來填充空隙之前，通過氣相鋁沉積來潤濕其表面的方法來滲透。為了保證鋁保留在預(yù)型體的氣孔中，需要在真空或氬氣氣氛下進(jìn)行熱處理，例如在1400～1800℃下進(jìn)行處理。否則，壓力滲透材料暴露于氣體或者滲透壓力的除去都將造成鋁從復(fù)合體中的損失。
在歐洲專利申請(qǐng)公報(bào)94353中還表示了使用潤濕劑來實(shí)現(xiàn)用熔融金屬滲透電解池中的氧化鋁組分的方法。該公報(bào)敘述了用一個(gè)以陰極電流供給器作為電池襯里或基質(zhì)的電池，通過電積法生產(chǎn)鋁的方法，為了保護(hù)這種基質(zhì)免受熔融冰晶石的作用，在電池啟動(dòng)前或者將其浸在用該電解法生產(chǎn)的熔融鋁中對(duì)氧化鋁基質(zhì)施加一種潤濕劑和溶解性抑制劑的混合物的薄涂層，所公開的潤濕劑有鈦、鉿、硅、鎂、釩、鉻、鈮或鈣，而鈦為優(yōu)選的潤濕劑。據(jù)描述，硼、碳和氮的化合物對(duì)于抑制這種潤濕劑在熔融鋁中的溶解性是有用的。
但是，該參考文獻(xiàn)既沒有建議生產(chǎn)金屬復(fù)合物，也沒有建議，例如在氮?dú)鈿夥罩校纬蛇@種復(fù)合體。
除采用壓力和潤濕劑外，還公開了采用的真空條件將有助于熔融鋁滲入多孔陶瓷壓塊。例如，1973年2月27日授予R.L.Landingham的美國專利3，718，441敘述了在小于10-6乇的真空條件下，使熔融的鋁、鈹、鎂、鈦、釩、鎳或鉻滲透陶瓷壓塊(例如碳化硼，氧化鋁滲透和氧化鈹)。10-2～10-6乇的真空壓強(qiáng)使這種熔融金屬對(duì)所述涂層的潤濕性很差，以致于該金屬不能自由地流到陶瓷的孔隙中去。但是，當(dāng)真空壓強(qiáng)降低到低于10-6乇時(shí)，潤濕情況有所改善。
1975年2年4日授于G.E.Gazza等人的美國專利3，864，154還公開了采用真空以達(dá)到滲透的方法。該專利敘述了將一個(gè)Al B12粉末的冷壓塊放在一個(gè)冷壓鋁粉床上。然后再將一部分鋁置于Al B12粉末壓塊的頂上。將裝有夾在鋁粉層之間的Al B12壓塊的坩堝放在一個(gè)真空爐中。然后將該爐抽空到約10-5乇進(jìn)行脫氣。再將爐溫提高到1100℃并保持3小時(shí)。在這些條件下，這種熔融鋁金屬滲透了多孔Al B壓塊。
1968年1年23日授予JohnN.Reding等人的美國專利3，364，976公開了在一個(gè)物體內(nèi)產(chǎn)生自生真空以促進(jìn)熔融金屬向該物體中的滲透的觀點(diǎn)。具體地說，將一物體，例如一個(gè)石墨模、一個(gè)鋼?；蛞粋€(gè)多孔耐久材料，全部浸在熔融金屬中。在模的情況下，充有可以與該金屬反應(yīng)的氣體的模的空腔與外部的熔融金屬通過模中至少一個(gè)小孔相接觸，當(dāng)這種模浸在熔體中時(shí)，空腔的充填在空腔中的氣體與該熔融金屬反應(yīng)產(chǎn)生自生真空時(shí)發(fā)生。具體地說，這種真空是該金屬的固體氧化物形成的結(jié)果。因此，Reding等人公開了重要的是誘導(dǎo)空腔中的氣體與該熔融體之間的反應(yīng)。但是，由于與模有關(guān)的固有限制，利用模具來產(chǎn)生真空可能是不理想的。首先必須將模具機(jī)加工成一個(gè)特殊的形狀;然后精加工，在該模上產(chǎn)生一個(gè)可行的鑄造表面;然后在使用之前安裝好;在使用后將其折卸以從中取出鑄件;之后回收模具，回收時(shí)很可能包括對(duì)模具表面進(jìn)行再次精加工，如果該模不能再繼續(xù)使用的話，就將其放棄。將一個(gè)模具機(jī)加工成復(fù)雜的形狀是很貴的并且很費(fèi)時(shí)間。另外，從一個(gè)復(fù)雜形狀的模具上取出形成的鑄件也是困難的(即，具有復(fù)雜形狀的鑄件在從模具中取出時(shí)會(huì)發(fā)生破裂)。另外;雖然有人建議多孔耐火材料可以直接浸在熔融金屬中，不需要模具，但是這種耐火材料將必須是整塊的，因?yàn)樵诓皇褂萌萜髂＞邥r(shí)，不存在向疏松或分散的多孔材料浸透的條件(即，一般認(rèn)為，這種顆粒材料放在熔融金屬中時(shí)，其典型特征是四處分散或浮動(dòng))。另外，如果希望滲透顆粒材料或疏松地形成的預(yù)型體時(shí)，應(yīng)該引起注意的是這種滲透金屬至少不能置換顆粒或預(yù)型體的一部分，而導(dǎo)致不均勻的顯微結(jié)構(gòu)。
因此，長期以來一直希望有一種簡單而又可靠的生產(chǎn)成型金屬基質(zhì)復(fù)合體的方法，該方法不依靠使用壓力和真空(無論是外部施加的還是內(nèi)部產(chǎn)生的)條件，或者損失潤濕劑來生產(chǎn)嵌在另一種材料如陶瓷材料中的一種金屬基質(zhì)。另外;長期以來一直希望使生產(chǎn)金屬基質(zhì)復(fù)合體所需的最終機(jī)械加工量達(dá)最小。本發(fā)明通過提供一種用熔融基質(zhì)金屬(如鋁)滲透一種材料(如陶瓷材料)的自發(fā)滲透機(jī)理滿足了這些希望。其中所說的材料可形成一個(gè)預(yù)型體。這種自發(fā)滲透是在常壓，滲透氣氛(如氮?dú)?存在下進(jìn)行的，并且在工藝過程中至少在某一處存在滲透增強(qiáng)劑。
本申請(qǐng)的主題涉及一些其它共同未決或共同所有的專利申請(qǐng)的主題。特別是這些其它共同未決專利申請(qǐng)描述了制造金屬基質(zhì)復(fù)合材料的方法(以下有時(shí)稱“共同所有的金屬基質(zhì)專利申請(qǐng)”)。
在1987年5月13日，以White等人的名義提交的，現(xiàn)已在美國審定的題目為“金屬基質(zhì)復(fù)合體”的共同所有美國專利申請(qǐng)系列號(hào)049，171的申請(qǐng)中，公開了一種生產(chǎn)金屬基質(zhì)復(fù)合材料的新方法。根據(jù)White等人的發(fā)明的方法，通過用熔融鋁滲透一種可滲透填料(如，陶瓷或用陶瓷涂敷的材料)體來生產(chǎn)金屬基質(zhì)復(fù)合體，其中所用的熔融鋁含有至少約1%(重量)的鎂，優(yōu)選的是含有至少約3%(重量)的鎂。在不采用外部壓力和真空的條件下，自發(fā)地發(fā)生滲透。于至少約675℃的溫度下，在一種含有約10～100%，最好至少約50%(體積)氮?dú)獾臍怏w存在下，使一定量的熔融金屬合金與填料體接觸，其中的氣體，除氮?dú)馔?，如果有的話為非氧化性氣體，如氬氣。在這些條件下，這種熔融鋁合金在常壓下滲透所說的陶瓷體形成鋁(或鋁合金)基質(zhì)復(fù)合體。當(dāng)所需量的填料已被這種熔融鋁合金滲透時(shí)，降低溫度使該合金固化，因此形成嵌有該增強(qiáng)填料的固體金屬基質(zhì)結(jié)構(gòu)。通常，供給的一定量熔融合金最好足以使這種滲透基本進(jìn)行到填料體的邊緣。根據(jù)White等人的發(fā)明生產(chǎn)的鋁基復(fù)合體中填料的量可以非常高。在這方面，填料對(duì)合金的體積比可達(dá)到1∶1以上。
在上述White等人發(fā)明的工藝條件下，氮化鋁可以形成一種分散在整個(gè)鋁基體中的不連續(xù)相。鋁基體中氮化物的量可隨溫度、合金組成、氣體組成和填料等因素而變化。因此，通過控制反應(yīng)體系因素的一個(gè)或多個(gè)，可能調(diào)節(jié)這種復(fù)合體的某些性能。但是，對(duì)于某些實(shí)際應(yīng)用來說，可能希望這種復(fù)合體含有少量的或基本不含氮化鋁。
已觀察到較高的溫度有利于滲透，但使得該方法更有助于氮化物的形成。White等人的發(fā)明提供了平衡滲透動(dòng)力學(xué)和氮化物形成的選擇。
在以Michel K.Aghajanian等人的名義于1988年1月7日提交的，題目為“用阻擋元件制造金屬基質(zhì)復(fù)合體的方法”的共同所有且未決的美國專利申請(qǐng)系列號(hào)為141，624的申請(qǐng)中，敘述了一個(gè)適用于形成金屬基質(zhì)復(fù)合體的阻擋元件的例子。根據(jù)Aghajanian等人的發(fā)明方法，將阻擋元件(例如，顆粒狀二硼化鈦或石墨材料如Union Carbide公司以Grafoil
為商品名出售的軟石墨帶產(chǎn)品)放置于填料的限定界表面，并且基質(zhì)合金滲透到該阻擋元件限定的邊界處。這種阻擋元件被用來抑制、防止或中止該熔融合金的滲透，由此為得到的金屬基質(zhì)復(fù)合體提供了完整或基本完整的形狀。因此，所形成的金屬基質(zhì)復(fù)合體具有一個(gè)基本符合于該阻擋元件內(nèi)部形狀的外形。
1988年3月15日以MichaelK.Aghajanian和MarcS.Newkirk名義提交的題目為“金屬基質(zhì)復(fù)合體及其生產(chǎn)方法”的共同所有，共同未決美國專利申請(qǐng)系列號(hào)168，284對(duì)系列號(hào)為049，171的美國專利申請(qǐng)的方法進(jìn)行改進(jìn)，根據(jù)在該美國專利申請(qǐng)中公開的方法，基質(zhì)金屬以一個(gè)第一金屬源和一個(gè)例如由于重力流動(dòng)與該第一金屬源相聯(lián)的基質(zhì)金屬合金儲(chǔ)備源形式存在。具體地說，在該專利申請(qǐng)中所述的條件下，在常壓下這種第一熔融金屬合金源首先滲入填料體中，由此開始形成金屬基質(zhì)復(fù)合體。這種第一熔融基質(zhì)金屬合金源，在其滲入填料體期間被消耗掉，如果需要的話，當(dāng)自發(fā)滲透繼續(xù)進(jìn)行時(shí)，可以從所說的熔融基質(zhì)金屬儲(chǔ)備源進(jìn)行補(bǔ)充，這種補(bǔ)充最好通過一個(gè)連續(xù)方式進(jìn)行。當(dāng)所需量的可滲透填料已被這種熔融基質(zhì)合金自發(fā)滲透時(shí)，使溫度降低以使該熔融合金固化，因此形成一種嵌有該增強(qiáng)填料的固體金屬基質(zhì)結(jié)構(gòu)。應(yīng)該明白的是這種金屬儲(chǔ)備源的使用僅僅是本專利申請(qǐng)中所述的發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案，并不是在所述的發(fā)明的每個(gè)其它實(shí)施方案中都必須采用該金屬儲(chǔ)備源，但是將本發(fā)明儲(chǔ)備源用于部分實(shí)施方案中還是有利的。
這種金屬儲(chǔ)備源應(yīng)提供足夠量的金屬，以使其滲透該填料的可滲透體至預(yù)定的程度。另一方面，可以選擇阻擋元件與該可滲透填料體的至少一個(gè)側(cè)面接觸，以限定出一個(gè)表面邊界。
另外，雖然提供的一定量熔融基質(zhì)合金應(yīng)至少足以使自發(fā)滲透基本進(jìn)行到可滲透填料體的邊界(如阻擋元件)，但是所說的儲(chǔ)備源中存在的合金量應(yīng)超過這個(gè)這個(gè)足夠量，以使得不僅有足夠量的合金用于完全滲透，而且有過量的熔融金屬合金保留并與該金屬基質(zhì)復(fù)合體相連。因此，當(dāng)過量的熔融合金存在時(shí)，所得到的物體將是一個(gè)復(fù)雜的復(fù)合體(例如，一個(gè)大復(fù)合體)，其中具有金屬基質(zhì)的滲透陶瓷體將會(huì)直接粘結(jié)到該儲(chǔ)備中剩余的過量金屬上。
每個(gè)上述討論的共同所用的金屬基質(zhì)專利申請(qǐng)都敘述了生產(chǎn)金屬基質(zhì)復(fù)合體的方法和由此生產(chǎn)的新型金屬基質(zhì)復(fù)合體。將所有上述共同所有的金屬基質(zhì)專利申請(qǐng)的公開內(nèi)容結(jié)合在此以供參考。
通過自發(fā)滲透已制成預(yù)型體的填料的可滲透體，制備一種金屬基質(zhì)復(fù)合體。具體來講，使基質(zhì)金屬熔融，將其放在盛裝基質(zhì)金屬的合適的非反應(yīng)性容器(如合適的耐火容器)中，形成熔融金屬池。然后將預(yù)型體放入熔融基質(zhì)金屬中，實(shí)現(xiàn)自發(fā)滲透。至少在過程的某一階段，滲透增強(qiáng)劑和/或其前體和/或滲透氣氛也與該預(yù)型體相聯(lián)系，使得當(dāng)預(yù)型體被放入熔融基質(zhì)金屬中時(shí)，該金屬自發(fā)滲入預(yù)型體。
由于預(yù)型體對(duì)熔融基質(zhì)金屬所具備的固有的浮力，所以預(yù)型體可以在熔融基質(zhì)金屬表面上或周圍表現(xiàn)出自然浮動(dòng)的傾向。然而將預(yù)型體完全浸沒在熔融基質(zhì)金屬中是需要的。但在完全浸沒之前，預(yù)型體中最好應(yīng)含有滲透增強(qiáng)劑和/或其前體中的至少一種。這樣熔融基質(zhì)金屬就會(huì)自該滲入浸沒的預(yù)型體。在另一種情況下，除了預(yù)型體中的滲透增強(qiáng)劑或其前體外，或取而代之，熔融基質(zhì)金屬中可以含有滲透增強(qiáng)劑或其前體。如果僅僅在熔融基質(zhì)金屬中含有滲透增強(qiáng)劑前體，那么就必須采取措施使該前體與另一種材料(如鼓泡進(jìn)入熔融基質(zhì)金屬的滲透氣氛)接觸。
在一個(gè)較佳方案中，成形預(yù)型體的制備是將含有滲透增強(qiáng)劑前體和陶瓷材料的填料放入模具內(nèi)。然后使成模的填料和滲透增強(qiáng)劑前體暴露在滲透氣氛下，使預(yù)型體固化，并在預(yù)型體中形成滲透增強(qiáng)劑。采用合適的方法，使含滲透增強(qiáng)劑的預(yù)型體可移動(dòng)地浸沒在熔融基質(zhì)金屬中。例如，可以將預(yù)型體放在一可移動(dòng)盒子中，該盒子以物理方式迫使預(yù)型體處于熔融基質(zhì)金屬表面之下，或者將預(yù)型體連接到一個(gè)平衡器上，該平衡器能克服預(yù)型體相對(duì)于熔融基質(zhì)金屬所產(chǎn)生的浮力。如果在預(yù)型體中提供至少一種滲透增強(qiáng)劑，那么就可以不再需要滲透氣氛，以獲得熔融基質(zhì)金屬向預(yù)型體的自發(fā)滲透，這種情況與所采用的可移動(dòng)浸沒預(yù)型體的方式無關(guān)。但是仍然需要存在這樣一種滲透氣氛，或者至少一種惰性氣氛，以使與該氣氛接觸的基質(zhì)金屬池的表面處于不反應(yīng)狀態(tài)。
此外，除了自發(fā)滲透歷程外，也有可能在浸沒的預(yù)型體中造成自生真空的傾向(如熔融基質(zhì)金屬與捕獲的氣體在預(yù)型體中反應(yīng)，由此引起該金屬滲入預(yù)型體)。
應(yīng)注意到，本申請(qǐng)主要討論鋁基質(zhì)金屬，該金屬在形成金屬基質(zhì)復(fù)合體過程中的某一時(shí)刻，在作為滲透氣氛的氮?dú)獯嬖谙?，與作為滲透增強(qiáng)劑前體的鎂接觸。因此，基質(zhì)金屬/滲透增強(qiáng)劑前體/滲透氣氛體系(鋁/鎂/氮?dú)怏w系)產(chǎn)生自發(fā)滲透。但是，其它基質(zhì)金屬/滲透增強(qiáng)劑前體/滲透氣氛體系也可以與鋁/鎂/氮?dú)怏w系以類似的方式發(fā)生自發(fā)滲透。例如，在鋁/鍶/氮?dú)怏w系中，鋁/鋅/氧氣體系中以及鋁/鈣/氮?dú)怏w系中已經(jīng)觀察到類似的自發(fā)滲透。因此，盡管本文主要要討論的是鋁/鎂/氮?dú)怏w系，但是應(yīng)該理解，其它基質(zhì)金屬/滲透增強(qiáng)劑前體/滲透氣氛體系也可以相似方式發(fā)生自發(fā)滲透。
當(dāng)基質(zhì)金屬含有鋁合金時(shí)，鋁合金可以與含填料(如氧化鋁或碳化硅粒)的預(yù)型體接觸，該填料內(nèi)混有鎂，或在過程的某一階段該填料暴露于鎂之下。在一個(gè)優(yōu)選方案中，至少在過程的某一階段，氮?dú)鈿夥罩泻袖X合金和預(yù)型體。因此，預(yù)型體被基質(zhì)金屬自發(fā)滲透。自發(fā)滲透以及金屬基質(zhì)復(fù)合體的形成的程度或速度隨給定的工藝條件而變，這些條件如向體系(鋁合金中和/或預(yù)型體中和/或滲透氣氛中)提供的鎂濃度，預(yù)型體中粒子的大小和/或組成，滲透氣氛中氮?dú)獾臐舛?，滲透時(shí)間和/或滲透時(shí)的溫度。自發(fā)滲透一般發(fā)生至基質(zhì)金屬基本全部占滿預(yù)型體的程度。
在此所用的“鋁”的意思是指并且包括基本純的金屬(例如，一種相對(duì)純的市售非合金化的鋁)或者其它等級(jí)的金屬和金屬合金，如含有雜質(zhì)和/或合金成分(如鐵、硅、銅、鎂、錳、鉻、鋅等)的市售金屬。這一定義下的鋁合金是一種以鋁為主要成分的合金或金屬互化物。
本文使用的“平衡器”或“用于平衡的方式”一詞是指與預(yù)型體相對(duì)于熔融基質(zhì)金屬的固有浮力起反作用的裝置，以致當(dāng)該裝置連接到預(yù)型體上時(shí)，該預(yù)型體可以保持在熔融基質(zhì)合金表面的下方。
在此所用的“平衡非氧化性氣體”的意思是除構(gòu)成所說滲透氣氛的主要?dú)怏w之外存在的任何氣體，在所用工藝條件下，或者是惰性的或者是基本不與所述基質(zhì)金屬反應(yīng)的還原性氣體。在所用工藝條件下可能以雜質(zhì)形式存在于所用氣體中的任何氧化性氣體應(yīng)不足以使所用的基質(zhì)金屬氧化到任何顯著的程度。
在此所用的“阻擋元件”的意思是妨礙、抑制、防止或中止熔融基質(zhì)金屬超過可滲透填料體或預(yù)型體表面邊界的移動(dòng)、運(yùn)動(dòng)等，其中的表面界(界表面)是由所說的阻擋元件所限制的。適用的阻擋元件可以是在工藝條件下，保持某種程度的完整性并且基本不揮發(fā)(即，阻擋材料沒有揮發(fā)到使其失去作為阻擋元件的程度)的任何適當(dāng)?shù)牟牧?、化合物、元素、組合物等。
另外，適用的“阻擋元件”包括在所利用的工藝條件下基本不能被運(yùn)動(dòng)的熔融基質(zhì)金屬潤濕的材料。這種類型的阻擋元件顯示出對(duì)所說的熔融基質(zhì)金屬具有很小的親合力或沒有親合力。用這種阻擋元件阻止或抑制了超越該填料體或預(yù)型體的限定界面的運(yùn)動(dòng)。這種阻擋元件減少了可能需要的任何最終機(jī)械加工或研磨加工，并且限定了至少所得到的金屬基質(zhì)復(fù)合產(chǎn)物的一部分表面。這種阻擋元件在某些情況下，可以是可滲透的或多孔的，或者例如通過鉆孔或穿孔使其可滲透，以使得氣體與所說的熔融基質(zhì)金屬接觸。
在此所用的“殘余物”或“基質(zhì)金屬殘余物”是指任何在所說的金屬基質(zhì)復(fù)合體形成期間沒有被消耗掉的原始基質(zhì)金屬殘余物，并且在典型情況下如果將其復(fù)合體相接觸的形式保留下來。應(yīng)該理解為這種殘余物還可以包括第二種或外來金屬。
在此所用的“填料”是指單一成分或多種成分的混合物，所說的成分基本不與所說的基質(zhì)金屬反應(yīng)和/或在所說基質(zhì)金屬中具有限定溶解性的，并且可以是單相或者多相的。填料可以各種形式提供，例如粉末、片、片晶、微球、晶須、液體等，并且可以是密實(shí)也可以是多孔的?！疤盍稀边€可以包括陶瓷填料，如纖維、切斷纖維、顆粒、晶須、泡體、球、纖維板等形狀的氧化鋁或碳化硅，和陶瓷涂敷的纖維，如用氧化鋁或碳化硅涂敷的碳纖維，例如通過用熔融的母金屬鋁涂敷以保護(hù)碳免受腐蝕。填料還可以包括金屬。
在此所用的“滲透氣氛”意思是指存在的與所用的基質(zhì)金屬和/或預(yù)型體(或填料)和/或滲透增強(qiáng)劑前體和/或滲透增強(qiáng)劑相互作用并且使或促進(jìn)所用的基質(zhì)金屬發(fā)生自發(fā)滲透的氣氛。
在此所用的“滲透增強(qiáng)劑”是指一種能促進(jìn)或有助于一種基質(zhì)金屬自發(fā)滲透到一種填料或預(yù)型體中的材料。滲透增強(qiáng)劑可以由下述方法形成，例如一種滲透增強(qiáng)劑前體與滲透氣氛反應(yīng)形成(1)一種氣體物質(zhì)和/或(2)該滲透增強(qiáng)劑前體和滲透氣氛的反應(yīng)物和/或(3)該滲透增強(qiáng)劑前體和填料或預(yù)型體的反應(yīng)物。另外，這種滲透增強(qiáng)劑可能直接向預(yù)型體和/或基質(zhì)金屬和/或滲透氣氛中至少一種提供并起著與滲透添加劑前體和另一物質(zhì)反應(yīng)而形成的滲透增強(qiáng)劑的基本相同的作用。歸根到底，在該自發(fā)滲透期間，至少該滲透增強(qiáng)劑應(yīng)放在至少一部分所用的填料或預(yù)型體中，以完全自發(fā)滲透。
此處所用的“滲透增強(qiáng)劑前體”是指這樣一種材料，當(dāng)使其與基質(zhì)金屬、預(yù)型體和/或滲透氣氛相結(jié)合使用時(shí)能形成促使或有助于基質(zhì)金屬自發(fā)地滲透填料或預(yù)型體的滲透增強(qiáng)劑。由于不希望受到任何特定理論或說明的限制，對(duì)于滲透增強(qiáng)劑前體來說似乎必要的是使該滲透增強(qiáng)劑前體能夠被定位于或可移動(dòng)至允許與滲透氣氛和/或預(yù)型體或填料和/或金屬發(fā)生反應(yīng)的部位。舉例來說，在某些基質(zhì)金屬/滲透增強(qiáng)劑前體/滲透氣氛體系中，對(duì)于滲透增強(qiáng)劑前體來說，必要的是使其處于、接近于、或者在某些情況下甚至稍高于基質(zhì)金屬熔融溫度下?lián)]發(fā)。這一揮發(fā)過程可以導(dǎo)致(1)滲透增強(qiáng)劑前體與滲透氣氛發(fā)生反應(yīng)形成一種有助于基質(zhì)金屬潤濕填料或預(yù)型體的氣態(tài)物質(zhì);和/或(2)滲透增強(qiáng)劑前體與滲透氣氛反應(yīng)生成處于至少一部分填充物或預(yù)形體之中、有助于潤濕的固態(tài)、液態(tài)或氣態(tài)滲透增強(qiáng)劑;和/或(3)滲透增強(qiáng)劑前體與填料或預(yù)型體反應(yīng)，該反應(yīng)形成處于至少一部分填充料或預(yù)型體之中、有助于潤濕的固體、液態(tài)或氣態(tài)滲透增強(qiáng)劑。
此處所用的“基質(zhì)金屬”或“基質(zhì)金屬合金”是指用于形成金屬基質(zhì)復(fù)合體(例如，于滲透之前)的金屬和/或用于與填料互相混合從而形成金屬基質(zhì)復(fù)合體(例如，于滲透之后)的金屬。當(dāng)指定某一特定金屬為基質(zhì)金屬時(shí)，應(yīng)該理解為該基質(zhì)金屬包括基本上純的金屬、其中含有雜質(zhì)和/或合金成分的市售金屬、其中該金屬為主要成分的金屬互化物或合金。
本文所述的“基質(zhì)金屬/滲透增強(qiáng)劑前體/滲透氣氛體系”或“自發(fā)體系”是指能夠自發(fā)地滲透到預(yù)型體或填料之中的材料組合體。應(yīng)該理解的是無論在供列舉的基質(zhì)金屬、滲透增強(qiáng)劑前體和滲透氣氛之間何時(shí)出現(xiàn)“/”，“/”均被用于表示當(dāng)以某一特定方式組合而成之時(shí)便能夠自發(fā)滲透進(jìn)入預(yù)型體或填料體系或組合體。
“可移動(dòng)浸沒方式”或“可移動(dòng)浸沒裝置”在本文中是指連接或支承至少一種預(yù)型體的裝置，該裝置能夠使預(yù)型體至少部分浸沒在熔融基質(zhì)合金池的表面下，并能從該池中取出預(yù)型體。
本文所述的“金屬基質(zhì)復(fù)合體”或是指包含嵌入預(yù)型體或填料的二維或三維互連合金或基質(zhì)金屬的材料。該基質(zhì)金屬可以包括各種合金元素以便使所得到的復(fù)合體具有特別需要的機(jī)械物理特性。
“不同于”基質(zhì)金屬的金屬是指這樣一種金屬，其中不含有作為主要成分的與基質(zhì)金屬相同的金屬(例如，若基質(zhì)金屬的主要成分為鋁，那么“不同的”金屬，舉例來說，可以含有主要成分鎳)。
“用于容納基質(zhì)金屬的非反應(yīng)性容器”是指能夠在加工條件下容納或包含熔融基質(zhì)金屬并且不與基質(zhì)金屬和/或滲透氣氛和/或滲透增強(qiáng)劑前體以可能嚴(yán)重妨礙自發(fā)滲透機(jī)理的方式而發(fā)生反應(yīng)的任何容器。
本文所述的“預(yù)型體”或“可滲透預(yù)型體”是指組成后具有至少一個(gè)表面界面的多孔狀填料體或填充物體，其中表面邊界基本上限定了滲透基質(zhì)金屬的邊界，該多孔狀物質(zhì)在被基質(zhì)金屬滲透之前充分地保持了形狀的完整性與生坯強(qiáng)度從而達(dá)到了尺寸精確度的要求。該多孔狀物質(zhì)應(yīng)該具備足夠高的多孔性以便使基質(zhì)金屬能夠自發(fā)地滲透進(jìn)去。預(yù)型體典型地包含結(jié)合排列而成的填料，可以是均相的或非均相的，并且可以由任何適宜的材料構(gòu)成(例如，陶瓷和/或金屬的顆粒、粉末、纖維、晶須等以及它們的任意組合體)。預(yù)型體可以單獨(dú)地存在或以集合體的形式存在。
本文所述的“儲(chǔ)備源”是指一個(gè)基質(zhì)金屬的分離體，其所處的位置與填料物質(zhì)或預(yù)形體相關(guān)聯(lián)，這樣，當(dāng)金屬熔化時(shí)，它可以流動(dòng)以便補(bǔ)充與填料或預(yù)形體相接觸的基質(zhì)金屬部分或源，或者是在某些情況下開始時(shí)先進(jìn)行提供隨后進(jìn)行補(bǔ)充。
本文所述的“自發(fā)滲透”是指在無需加壓或抽真空(無論是外部施加或內(nèi)部產(chǎn)生)的條件下基質(zhì)金屬向填料或預(yù)型體的可滲透部分所產(chǎn)生的滲透現(xiàn)象。
提供下列附圖以有助于理解本發(fā)明，但是并非意味著對(duì)本發(fā)明的范圍的限定。各圖中采用相同的參考號(hào)數(shù)表示同一組分，其中
圖1a是適用于本發(fā)明的一般化預(yù)型體;
圖1b是形成一般化預(yù)型體的可再使用模具;
圖2是按照本發(fā)明可移動(dòng)浸沒預(yù)型體的裝置;
圖3是按照本發(fā)明自發(fā)滲透的排列;
圖4表明用可移動(dòng)浸沒裝置取出金屬基質(zhì)復(fù)合體;
圖5是一種可熔化模具和一種平衡器;
圖6是浸沒在基質(zhì)金屬池內(nèi)的模具和平衡器。
本發(fā)明涉及制備金屬基質(zhì)復(fù)合體的方法，該方法是將合適的預(yù)型體浸沒在熔融基質(zhì)金屬中，其中的預(yù)型體一般由填料構(gòu)成(如下面更詳細(xì)的描述)，然后在工藝中的某一階段，與滲透增強(qiáng)劑和/或其前體和/或滲透氣氛中的至少一種進(jìn)行接觸，使熔融基質(zhì)金屬自發(fā)滲入預(yù)型體至所需程度。
參照附圖，其中的每個(gè)標(biāo)號(hào)在全部圖中均表示同一部件。圖1a和1b是可用于本發(fā)明的一般化預(yù)型體(1)。該預(yù)型體(1)，例如可含有陶瓷粒子和滲透增強(qiáng)劑(可由滲透氣氛與滲透增強(qiáng)劑前體反應(yīng)形成)的混合物，模具(3)中的空穴(2)顯示了它的所需形狀。模具(3)可再使用，因此它由適當(dāng)堅(jiān)固但又易成形的材料構(gòu)成，如熟石膏或硅酮橡膠等。模具(3)也可以在后續(xù)過程中自耗掉，在這種情況下，它由不影響自發(fā)滲透的材料構(gòu)成，如金屬箔。模具(3)也可以是可拆模，多件模，熔殼?；蛉魏纹渌线m的成模元件。
如圖2所示，預(yù)型體(1)，不論是裝在自熔模具中還是處于獨(dú)立狀態(tài)，都可以被放在能將其可移動(dòng)地浸沒在熔融基質(zhì)金屬池的裝置(4)中。裝置(4)的最重要特征是它給予預(yù)型體(1)克服其在基質(zhì)金屬池中產(chǎn)生的固有浮力的反作用力，同時(shí)又不影響預(yù)型體的形狀;當(dāng)浸沒在基質(zhì)金屬池中時(shí)，它呈現(xiàn)足夠的耐熱和化學(xué)惰性;以及它對(duì)自發(fā)滲透過程無不良影響。合適的裝置(4)有一個(gè)基座(4-1)，一組桿(4-2)和一個(gè)可移動(dòng)蓋(4-3)。在裝置(4)上，可方便地連接一個(gè)合適的柄(4-4)，以便能夠?qū)⒀b置(4)放入和移出基質(zhì)金屬池，以及實(shí)現(xiàn)其它所需的加工操作。可以想象到裝置(4)也可以是籃狀或篩網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，這樣即可浸透基質(zhì)金屬，又可具有上述裝置(4)的其它重要特征。此外，裝置(4)也可以只有一個(gè)基座和一個(gè)柄，這時(shí)在基座上可移動(dòng)地固定1個(gè)或多個(gè)預(yù)型體。
參照?qǐng)D3，按照本發(fā)明，將用于移動(dòng)式浸沒預(yù)型體(1)的裝置(4)放在由盛裝基質(zhì)金屬的非反應(yīng)性容器所限定的熔融基質(zhì)金屬池(5)中，在合適的自發(fā)體系中，如本文描述的那些體系中，基質(zhì)金屬(5)自發(fā)浸入預(yù)型體(1)。如圖所示，預(yù)型體(1)可以全部浸沒在池(5)中，這時(shí)預(yù)型體的自發(fā)滲透可以從預(yù)型體與池接觸的所有面上進(jìn)行。當(dāng)達(dá)到所需的滲透量，生成如圖4所示的金屬基質(zhì)復(fù)合體(7)時(shí)，從池中取出裝有復(fù)合體(7)的裝置(4)。然后將隨裝置(4)取出的，尚未滲入預(yù)型體的基質(zhì)金屬在重力或其它合適力(如氣流)的作用下返回熔融基質(zhì)金屬池，以便盡量減少粘附在復(fù)合體(7)上的殘物。
可以想象到，使預(yù)型體移動(dòng)式浸沒熔融基質(zhì)金屬池中的裝置可以使預(yù)型體部分的，而不是全部的浸沒。例如，當(dāng)自發(fā)滲透必須只按優(yōu)選方向發(fā)生或只在部分預(yù)型體中發(fā)生時(shí)，就需要這樣的部分浸沒。如下面更詳細(xì)討論的，可以將合適的阻擋元件粘附在選擇的預(yù)型體表面上，以控制滲透方向或盡量減少基質(zhì)金屬上的殘余殼體，這樣當(dāng)移去阻擋元件時(shí)，將得到完整的或近乎完整的形狀。
此外，可以有選擇地控制預(yù)型體在池中的浸沒深度，例如為了達(dá)到改變金屬其質(zhì)復(fù)合體的組成的目的。這種變化可使用在不同深度具有不同基質(zhì)金屬組成的多層池來實(shí)現(xiàn)。不同的組成可由取決于深度的溫度梯度和/或合金混合物獲得。移動(dòng)式浸沒裝置使預(yù)型體和第一種基質(zhì)金屬成分在第一深度接觸預(yù)定的一段時(shí)間，然后使經(jīng)部分自發(fā)滲透的預(yù)型體與第二種基質(zhì)金屬成分在第二深度接觸第二次的預(yù)定時(shí)間。其它金屬基質(zhì)成分可按其在熔融金屬池中的位置進(jìn)行接觸。
此外，移動(dòng)式浸沒裝置可同時(shí)負(fù)載一個(gè)以上的預(yù)型體，由此提高制備金屬基質(zhì)復(fù)合體的速度。合適的話，可將預(yù)型體疏松地排列在浸沒裝置中或可移動(dòng)地連接其上。應(yīng)理解，熔融基質(zhì)金屬池的體積要足夠大，以便按這種方式生產(chǎn)的多個(gè)金屬基質(zhì)復(fù)合體達(dá)到所需的滲透程度。
如已經(jīng)討論的，可移動(dòng)式浸沒裝置的一個(gè)特征是它對(duì)預(yù)型體在熔融基質(zhì)金屬池中的固有浮力具有反作用(不論是正或負(fù)作用)。應(yīng)理解，其它裝置也可以用來實(shí)現(xiàn)上述功能以及其它功能。其中之一是平衡預(yù)型體的裝置，下面用實(shí)施例更詳細(xì)地描述此方案。本發(fā)明的平衡裝置一般具有移動(dòng)式浸沒裝置類似的特征。
為了使基質(zhì)金屬自發(fā)地滲透進(jìn)入預(yù)型體，應(yīng)該將滲透增強(qiáng)劑加至自發(fā)體系之中。滲透增強(qiáng)劑可以由滲透增強(qiáng)劑前體形成，它可以(1)在基質(zhì)金屬中;和/或(2)在預(yù)形體或填料中和/或(3)由滲透氣氛;和/或(4)由外界來源被提供給自發(fā)體系。此外，除了提供滲透增強(qiáng)劑前體以外，還可以直接向預(yù)形體、和/或基質(zhì)金屬、和/或滲透氣氛之中至少一種提供滲透增強(qiáng)劑。歸根結(jié)底，至少在自發(fā)滲透期間，滲透增強(qiáng)劑應(yīng)該位于至少一部分填料或預(yù)型體之中。例如，當(dāng)向滲透氣氛中提供時(shí)，可以將該氣體鼓泡通過熔融基質(zhì)金屬池，使?jié)B透增強(qiáng)劑輸送至浸沒的預(yù)型體處。如果預(yù)型體未完全浸沒，可通過在池表面上的滲透氣氛向預(yù)型體提供滲透增強(qiáng)劑。類似地，如果在預(yù)型體中提供滲透增強(qiáng)劑前體，那么將滲透氣體鼓泡通入池或?qū)㈩A(yù)型體表面暴露在池上的滲透氣氛之下，則可將該前體轉(zhuǎn)變?yōu)闈B透增強(qiáng)劑。
基質(zhì)金屬/滲透增強(qiáng)劑前體/滲透氣氛體系的實(shí)例為鋁/鎂/氮體系。具體地講，可將鋁基金屬裝在一個(gè)在工藝條件下，當(dāng)鋁被熔化時(shí)不會(huì)與鋁基金屬反應(yīng)的適宜的耐火容器之中。然后通過在熔融基質(zhì)金屬中的平衡裝置或移動(dòng)式浸沒預(yù)型體的裝置，將預(yù)型體保持在熔融基質(zhì)金屬表面之下并與其接觸。
在本發(fā)明的鋁/鎂/氮自發(fā)體系中，預(yù)型體應(yīng)具有足夠的可滲透性，使含氮?dú)怏w至少在過程中某一階段通過如使氮?dú)夤呐荽┻^熔融基質(zhì)金屬的方法滲入或穿過預(yù)型體。而且與此同時(shí)或在此之后，提供可滲透預(yù)型體，使熔融基質(zhì)金屬滲透或?qū)㈩A(yù)型體在浸沒之前暴露于氮?dú)庵?，由此引起熔融基質(zhì)金屬自發(fā)滲入已經(jīng)滲氮的預(yù)型體，形成金屬基質(zhì)復(fù)合體和/或引起氮?dú)馀c滲透增強(qiáng)劑前體反應(yīng)并在預(yù)型體中形成滲透增強(qiáng)劑，導(dǎo)致自發(fā)滲透。
金屬基質(zhì)復(fù)合體的形成和自發(fā)滲透的程度取決于給定的工藝條件，對(duì)鋁/鎂/氮體系來說，這些條件包括鋁合金中的鎂含量，預(yù)型體中鎂含量，鋁合金中氮化鎂含量，預(yù)型體中的氮化鎂含量，其它合金元素(如硅、鐵、銅、錳、鉻、鋅等)的存在，構(gòu)成預(yù)型體的填料的平均尺寸(如粒徑)，填料的表面條件和類型，滲透氣氛中的氮濃度，滲透時(shí)間及溫度。例如，對(duì)于熔融鋁基質(zhì)金屬發(fā)生的自發(fā)滲透，該鋁基質(zhì)金屬可與至少約1%(重)，最好至少約3%(重)基于合金重量的鎂(起滲透增強(qiáng)劑前體的作用)合金化。
也可以在基質(zhì)金屬中加入上面討論的輔助合金元素，以調(diào)節(jié)其具體性能。輔助合金元素也可以對(duì)鋁基質(zhì)金屬中所需的最少量鎂起作用，導(dǎo)致填料或預(yù)型體的自發(fā)滲透。由于如揮發(fā)等原因使自發(fā)體系損失的鎂應(yīng)盡量避免，以使部分鎂保留下來形成滲透增強(qiáng)劑。因此需要采用足夠量的初始合金元素來保證自發(fā)滲透不受到揮發(fā)造成的不良影響。此外，在預(yù)型體和基質(zhì)金屬中或僅在預(yù)型體中存在的鎂可以導(dǎo)致實(shí)現(xiàn)自發(fā)滲透所需的總鎂量的減少(以后將詳細(xì)討論)。氮滲透氣氛中氮?dú)獾捏w積百分比也影響金屬基質(zhì)復(fù)合體的形成速度。具體地講，如果滲透氣氛中存在小于約10%(體積)的氮?dú)?，自發(fā)滲透則非常緩慢或幾乎沒有。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，在滲透氣氛中最好至少約含50%(體積)氮?dú)?，這樣由于大大加快的滲透速度，能夠縮短滲透時(shí)間等。輕輕攪動(dòng)浸沒的預(yù)型體，進(jìn)而運(yùn)動(dòng)了預(yù)型體周圍的熔融基質(zhì)金屬而又不影響其結(jié)構(gòu)的整體性，也可以使?jié)B透時(shí)間縮短。
在形成金屬基質(zhì)復(fù)合體的鋁/鎂/氮自發(fā)體系中，對(duì)熔融基質(zhì)金屬所需的最小鎂含量取決于一種或多種因素，如加工溫度，時(shí)間，輔助金屬如硅或鋅的存在，填料的性質(zhì)，鎂在自發(fā)體系的一種或多種組分中的位置，到達(dá)預(yù)型體的滲透氣氛中的氮含量和氮?dú)饬魉?。隨著合金和/或預(yù)型體中鎂含量的增加，完成滲透可采用較低的溫度或較短的加熱時(shí)間。在給定鎂含量情況下，加入某種輔助合金元素如鋅，也可以采用較低溫度。例如，基質(zhì)金屬中的鎂含量在較低的操作范圍內(nèi)時(shí)，如約1～3%(重)，可與之聯(lián)用至少下述一種情況上述最小加工溫度，高氮含量，或1種或多種輔助合金元素，如果不向預(yù)型體中加入鎂，根據(jù)合金在很寬的加工條件下的一般使用情況，最好使用約含3～5%(重)鎂的合金，采用較低溫度和較短時(shí)間時(shí)，合金中至少約含5%的鎂。可過量使用基于鋁合金量的約10%(重)的鎂含量，以便緩和滲透所需的溫度條件。如果結(jié)合使用輔助合金元素，可以減少鎂含量，但是這些元素僅起輔助作用，并且至少與上述最少量的鎂聯(lián)用。例如，僅與10%硅合金化的標(biāo)準(zhǔn)純鋁在1000℃下基本不滲入500目，39Crystolon(來自Norton公司的99%純的碳化硅)床。但是在鎂的存在下，已發(fā)現(xiàn)硅能促進(jìn)滲透過程。
再舉一例，當(dāng)只向預(yù)型體或填料提供鎂時(shí)，其量可以變化。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)所提供的總鎂量中至少一部分存在于預(yù)型體或填料中時(shí)，在供給體系的鎂的總百分比(重量)較小的情況下就會(huì)自發(fā)滲透。例如將鎂粉與陶瓷混合制成填料，即可實(shí)現(xiàn)上述情況。為了防止在金屬基質(zhì)復(fù)合體中形成不需要的金屬互化物，也需要提供的總鎂量少些。對(duì)于碳化硅預(yù)型體，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)至少約含1%(重)鎂的預(yù)型體在基本純的氮?dú)夥障屡c鋁基質(zhì)金屬接觸時(shí)，基質(zhì)金屬會(huì)自發(fā)滲入預(yù)型體。對(duì)于氧化鋁預(yù)型體，實(shí)現(xiàn)可接受的自發(fā)滲透所需的鎂量則稍微高些。具體地講，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)當(dāng)氧化鋁預(yù)型體與類似的鋁基質(zhì)金屬在與該鋁滲入碳化硅預(yù)型體時(shí)的相同溫度下及相同的氮?dú)夥沾嬖谙逻M(jìn)行接觸時(shí)，至少需要約3%(重)的鎂才能獲得上述碳化硅預(yù)型體所達(dá)到的類似自發(fā)滲透程度。
同樣應(yīng)該注意的是在基質(zhì)金屬滲入填料或預(yù)型體之前可以將滲透增強(qiáng)劑前體和/或滲透增強(qiáng)劑以置于合金表面和/或預(yù)型體或填料表面和/或置于預(yù)型體或填料之中的方式提供給自發(fā)體系(即不必使被提供的滲透增強(qiáng)劑或滲透增強(qiáng)劑前體與基質(zhì)金屬形成合金，而是被簡單地提供給自發(fā)體系)。如果將鎂施用于基質(zhì)金屬表面，則該表面優(yōu)選地是十分接近于、或者最好是與填料的可滲透部分相接觸，反之亦然;或者是這種鎂混合于至少一部分預(yù)型體或填料之中。此外，還可以采用表面施用、形成合金與將鎂置于至少一部分預(yù)形體中三種應(yīng)用方式的某一組合形式。這一應(yīng)用滲透增強(qiáng)劑和/或滲透增強(qiáng)劑前體的組合方式不僅能夠減少促進(jìn)基質(zhì)鋁金屬滲透預(yù)型體所需鎂的總重百分比，同時(shí)還能夠降低滲透溫度。此外，還能夠?qū)⒂捎诖嬖阪V而形成的不需要的金屬互化物數(shù)量減少至最低限度。
一種或多種輔助合金元素的應(yīng)用以及在預(yù)型體和基質(zhì)金屬周圍氣體中氮的濃度同樣會(huì)對(duì)在給定溫度下進(jìn)行的基質(zhì)金屬的氮化程度產(chǎn)生影響。舉例來說;包含在合金之中或被置于合金表面的輔助合金元素如鋅或鐵可被用于降低滲透溫度從而減少氮化物的生成量，但是提高氣體中氮?dú)獾臐舛瓤捎糜诖龠M(jìn)氮化物形成。
合金中和/或被置于合金表面之上和/或結(jié)合于填料之中的鎂的濃度同樣易于影響在給定溫度下的滲透的程度。因此，在某些幾乎沒有或完全沒有鎂與填料直接相接觸的情況下，以合金中至少包含大約3%(重)鎂為佳。若合金含量低于此數(shù)值如含有1%(重)鎂，則需要較高的加工溫度或輔助合金元素進(jìn)行滲透。在下列情況下進(jìn)行本發(fā)明的自發(fā)滲透方法所需溫度較低(1)當(dāng)只有合金的鎂含量增加例如達(dá)到至少5%(重)左右時(shí);和/或(2)當(dāng)合金成分與填料或預(yù)型體的可滲透部分混合時(shí);和/或(3)當(dāng)鋁合金中存在另一種元素如鋅或鐵時(shí)。溫度還可以隨著填料的不同而有所變化。一般說來，自發(fā)和漸進(jìn)滲透的工藝溫度至少約為675℃、以至少約750～800℃為佳。此外，在第二種基質(zhì)金屬分散后，于約800℃或更高溫度下可使生成的懸浮體具有令人滿意的澆注性。根據(jù)懸浮體的性質(zhì)，該溫度可能低些。但澆注性并不一定隨溫度增加得以改善。一般情況下，當(dāng)溫度超過1200℃時(shí)似乎對(duì)該工藝過程不會(huì)產(chǎn)生任何益處，業(yè)已發(fā)現(xiàn)，特別適用的溫度范圍約為675～1200℃。然而，作為一般規(guī)律，自發(fā)滲透溫度高于基質(zhì)金屬的熔點(diǎn)但是卻低于基質(zhì)金屬的揮發(fā)溫度。此外，自發(fā)滲透溫度應(yīng)該低于填料的熔點(diǎn)。再說，隨著溫度升高，基質(zhì)金屬與滲透氣氛之間相互反應(yīng)形成產(chǎn)物的傾向性也會(huì)有所增強(qiáng)(例如，在鋁基質(zhì)金屬與氮滲透氣氛的情況下，會(huì)形成氮化鋁)。這類反應(yīng)產(chǎn)物可以是必要的也可以是不需要的，這要取決于金屬基質(zhì)復(fù)合體的目的應(yīng)用。另外，電阻加熱是達(dá)到滲透溫度的典型途徑。然而，任何能夠使基質(zhì)金屬熔化卻對(duì)自發(fā)滲透不會(huì)產(chǎn)生不利影響的加熱方式均適用于本發(fā)明。
在本方法中，舉例來說，至少是在該工藝過程期間的某一時(shí)刻在含氮?dú)怏w存在下使可滲透預(yù)型體浸沒在熔融鋁中。通過保持一連續(xù)的氣流提供含氮?dú)怏w，使其與預(yù)型體和/或熔融鋁基質(zhì)金屬中的至少一種相互接觸。雖然含氮?dú)怏w的流量并非至關(guān)重要，但是該量最好足以補(bǔ)償由于合金基質(zhì)中形成氮化物而在氣氛中造成的氮損失，并且足以防止或抑制能對(duì)熔融金屬或預(yù)型體產(chǎn)生氧化作用的空氣或其它氣體的侵入。
形成金屬基質(zhì)復(fù)合體的方法適用于許多填料，而填料的選擇取決于諸如基質(zhì)合金、工藝條件、熔融基質(zhì)合金與填料的反應(yīng)能力以及目的復(fù)合體產(chǎn)物應(yīng)具備的特性之類因素。舉例來說，當(dāng)基質(zhì)金屬為鋁時(shí)，適宜的填料包括(a)氧化物，例如氧化鋁;(b)碳化物，例如碳化硅;(c)硼化物，例如十二硼化鋁;以及(d)氮化物，例如氮化鋁。如果填料易于與熔融鋁基質(zhì)金屬反應(yīng)，這可以通過最大限度地縮短滲透時(shí)間與最大限度地降低滲透溫度或者通過向填料提供非反應(yīng)涂層來加以調(diào)節(jié)。填料也可以包含一種基體如碳或其它非陶瓷材料，該基體帶有陶瓷涂層以防受到化學(xué)侵蝕與老化作用。適宜的陶瓷涂層包括氧化物、碳化物、硼化物和氮化物。用于本方法的優(yōu)選陶瓷材料包括呈顆粒、片晶、晶須和纖維狀的氧化鋁和碳化硅。纖維可以是不連續(xù)的(被切斷)或以連續(xù)單位如多絲束的形式存在。此外，填料或預(yù)型體可以是均相的或非均相的。
業(yè)已發(fā)現(xiàn)的還有，某些填料相對(duì)于具備類似化學(xué)組成的填料，其滲透性有所增強(qiáng)。舉例來說，按照美國專利No.4713360(題目為“新型陶瓷材料及其制備方法”，MarcS.Newkirk等人，于1987年12月15日頒發(fā))所述方法組成的粉碎的氧化鋁主體相對(duì)于市售氧化鋁產(chǎn)品具有理想的滲透特性。此外，按照共同未決與共同所有的申請(qǐng)系列No.819397(題目為“復(fù)合陶瓷制品及其制造方法”，MarcS.Newkirk等人)所述方法組成的粉碎氧化鋁主體相對(duì)于市售氧化鋁產(chǎn)品同樣具有理想的滲透特性。頒布專利及其共同未決專利申請(qǐng)的各自主題在此引用僅供參考。因此，業(yè)已發(fā)現(xiàn)，陶瓷材料的可滲透體的徹底滲透可通過采用上述美國專利和專利申請(qǐng)的方法再次的粉碎或細(xì)碎主體于較低的滲透溫度下和/或較短的滲透時(shí)間內(nèi)進(jìn)行。
填料可以呈現(xiàn)達(dá)到復(fù)合體必要特性所需的任何尺寸和形狀。因此，既然滲透并非受到填料形狀的限制，所以填料可以呈顆粒、晶須、片晶或纖維狀。也可以選用諸如球體、小管、丸粒、耐火纖維布之類形狀的填料。另外，雖然與較大的顆粒相比，較小顆粒進(jìn)行完全滲透需要更高的溫度或更長的時(shí)間，但是材料的大小并不限制滲透。此外，有待滲透的填料(被加工成預(yù)型體)應(yīng)該是可滲透的(即可被熔融基質(zhì)金屬和滲透氣氛所滲透)。
本發(fā)明的形成金屬基質(zhì)復(fù)合體的方法并不依賴于施加壓力迫使或擠壓熔融金屬基質(zhì)進(jìn)入預(yù)型體填料之中從而產(chǎn)生具有高體積百分比填料和低孔隙率、基本上均勻的金屬基質(zhì)復(fù)合體。通過采用低孔隙率的原始填料可以獲得體積百分比較高的填料。只要不會(huì)將填料轉(zhuǎn)化為有礙于熔融合金滲透具有閉孔多孔性的壓塊或完全密實(shí)的結(jié)構(gòu)，通過將填料壓實(shí)或以其它方式進(jìn)行致密處理同樣會(huì)獲得體積百分比較高的填料。
已經(jīng)觀察到對(duì)于在陶瓷填料周圍發(fā)生的鋁滲透和基質(zhì)形成來說，鋁基質(zhì)金屬對(duì)陶瓷填料的潤濕在滲透機(jī)理中起著重要的作用。此外，在低加工溫度下，可忽略不計(jì)或極少量金屬的氮化導(dǎo)致有極少量不連續(xù)相的氮化鋁分散于金屬基質(zhì)之中。然而，當(dāng)溫度達(dá)到上限時(shí)，金屬的氮化更容易發(fā)生。因此，可以通過改變滲透溫度來控制金屬基質(zhì)中氮化物相的數(shù)量。當(dāng)?shù)锏男纬筛鼮槊黠@時(shí)的特定加工溫度同樣會(huì)隨著下列因素發(fā)生變化，這些因素有如所使用的基質(zhì)鋁合金，及其相對(duì)于填料或預(yù)型體體積的數(shù)量、有待滲透的填料和滲透氣氛中的氮濃度。舉例來說，人們認(rèn)為在給定加工溫度下氮化鋁生成的多少隨著合金潤濕填料能力的下降以及隨著氣氛中氮濃度的增大而增加。
因此，能使金屬基質(zhì)的組成在產(chǎn)生復(fù)合體的過程中賦予所得到的產(chǎn)物以特定的特性。對(duì)于一給定的體系來說，可以選擇工藝條件控制氮化物的形成。含有氮化鋁相的復(fù)合體產(chǎn)物具有對(duì)于產(chǎn)物的性能起促進(jìn)作用或能夠改善產(chǎn)物性能的特性。此外，鋁合金進(jìn)行自發(fā)滲透的溫度范圍可以隨著所用的陶瓷材料而有所變化。在選用氧化鋁作為填料的情況下，如果想要使基質(zhì)的延展性不因形成大量氮化物而有所下降那么滲透溫度以不超過大約1000℃為佳。然而，如果希望形成含有延展性較差而硬度較高的基質(zhì)復(fù)合體那么滲透溫度可以超過1000℃。當(dāng)選用碳化硅作為填料時(shí)，相對(duì)于使用氧化鋁作為填料的情況，由于所形成的鋁合金氮化物較少，所以，為了滲透碳化硅可以選用1200℃左右的較高溫度。
此外，可以使用一種基質(zhì)金屬儲(chǔ)備源，以保證填料全部滲透，和/或提供與第一基質(zhì)金屬源的組成不同的第二種金屬。具體地講，就是在某些情況下，可能需要使用該儲(chǔ)備源中與第一基體金屬源組成不同的基質(zhì)金屬。例如，如果鋁合金用做第一基質(zhì)金屬源，那么實(shí)質(zhì)上任何其它在加工溫度下能熔融的金屬或金屬合金都可以用做儲(chǔ)備源金屬。熔融金屬通常具有良好的互溶性，因此，只要混合時(shí)間適當(dāng)，儲(chǔ)備源金屬就會(huì)與第一基質(zhì)金屬源混合。在另一種情況下，按照上面描述的那樣選擇控制預(yù)型體浸沒的深度，也能減少加工時(shí)間。所以，通過使用不同于第一基質(zhì)金屬源組成的儲(chǔ)備源金屬，就可能使金屬基質(zhì)的性能滿足各種操作要求，由此調(diào)節(jié)金屬基質(zhì)復(fù)合體的性能。
本發(fā)明中也可以結(jié)合使用阻擋元件。具體地講，應(yīng)用本發(fā)明的阻擋元件可以是任何適于干擾、抑制、防止或中止熔融基質(zhì)合金(如鋁合金)超出由填料限定的界表面而形成的遷移，運(yùn)動(dòng)等的元件。合適的阻擋元件可以是滿足下述要求的任何材料，化合物，元素或組合物等能夠局部抑制，停止，干擾或防止(及其它類似作用)超出填料的限定界表面的連續(xù)滲透或任一其它類型的運(yùn)動(dòng)，在本發(fā)明的加工條件下，能保持某種整體性，不揮發(fā)，最好能使過程中使用的氣體滲透。
鋁/鎂/氮體系中的合適阻擋元件是石墨和氧化鋁，即使是全部浸沒的情況也是如此。這些材料可被適當(dāng)?shù)爻尚魏团帕?，以便將滲透氣氛引至預(yù)型體處。因此，適宜的阻擋元件通過盡量減少后期滲透表面的形成，同時(shí)保持自發(fā)體系中滲透增強(qiáng)劑，其前體和滲透氣氛成分在安排上的靈活性，能夠有助于金屬基質(zhì)復(fù)合體的生產(chǎn)。此外，阻擋元件可以與移動(dòng)式浸沒裝置或平衡裝置組合起來，為不充分堅(jiān)固的預(yù)型體提供額外的保護(hù)，使其經(jīng)得起在無支撐的情況下浸沒加入熔融基質(zhì)合金。
特別適用于鋁基質(zhì)合金的阻擋元件含有碳，尤其是稱為石墨的同素異形結(jié)晶碳。在上述加工條件下，石墨基本不被熔融的鋁合金濕潤。特別優(yōu)選的石墨是一種以商標(biāo)為Grafoil
(注冊(cè)在“聯(lián)合碳化物公司”名下)銷售的石墨條產(chǎn)品。這種石墨條具有防止熔融金屬移出填料的限定界表面的封閉特性，它也耐熱，并呈化學(xué)惰性。Grafoil
石墨材料是能變形的，可配伍的，整合的并且有彈性的材料。它能夠被制成各種形狀來滿足對(duì)阻擋元件的使用要求。但是石墨阻擋元件也可以以淤漿或糊，甚至漆膜的形式用于填料界面之上及四周。Grafoil
是一種可變形的石墨片，因此在這里是特別優(yōu)選的。使用時(shí)，這種象紙一樣的石墨只是簡單地被固定在填料的周圍。
另一種較好的、用于在氮?dú)庵械匿X金屬基質(zhì)合金的阻擋元件是過渡金屬硼化物[如二硼化鈦(Ti B2)]。在使用時(shí)的某些加工條件下，它一般不被熔融鋁金屬合金潤濕。用這種阻擋元件時(shí)，加工溫度不應(yīng)超過約875℃，否則阻擋元件就會(huì)失效。事實(shí)上，隨著溫度的增加，會(huì)發(fā)生向阻擋元件的滲透。過渡金屬硼化物一般呈粒狀(1～30微米)。阻擋元件也可以淤漿或糊的形式用于可滲透的陶瓷填料塊的界面，這種材料塊最好被預(yù)先成型，組成預(yù)型件。
另一種可用于在氮?dú)庵械匿X金屬基質(zhì)合金的阻擋元件由低揮發(fā)性的有機(jī)化合物構(gòu)成，它以膜或?qū)拥男问酵糠笤谔盍系耐獗砻嫔稀Ｔ诘獨(dú)庵袩蓵r(shí)，特別是在本發(fā)明的加工條件下燒成時(shí)，有機(jī)化合物分解，留下一層碳黑膜。也可以用常規(guī)方法，如刷涂，噴涂或浸漬等涂敷這種有機(jī)化合物。
此外，只要經(jīng)過細(xì)磨的粒狀材料的滲透速率低于填料的滲透速率，該粒狀材料就能起到阻擋元件的作用。
下面緊接著是實(shí)施例，其中包括了對(duì)本發(fā)明的各種不同的實(shí)施方案。但是，應(yīng)該理解這個(gè)實(shí)施例是說明性的，不應(yīng)將其解釋為是對(duì)如所附權(quán)利要求書所定義的本發(fā)明范圍的限定。
實(shí)施例1將100粒度(grit)碳化硅粉(來自Norton公司的39Crystolon)與約2%(重)的325目鎂粉(購自JohnsonMathey公司)充分混合組成填料。將填料倒入一個(gè)薄壁銅管(如購自通用銅器公司的0.8mm厚的管)。裝填料時(shí)，管的一端用薄銅箔包裹密封，輕敲管壁數(shù)次，填料在該模具中沉降。該管長約10cm，直徑約2.9cm，它作為填料的模具。
如圖5所示，將銅模具(3)插入作為模具平衡裝置的氧化鋁管(8)中。氧化鋁管的直徑為3.8cm，壁厚為3mm，它是被切割成長度約為7.6cm的高密度瓷坩堝(購自Coors公司)。平衡器的性能非常重要，它必須不含水和在過程溫度下氧化進(jìn)而污染填料或基質(zhì)金屬的其它材料。此外，它不能被基質(zhì)金屬和基質(zhì)金屬復(fù)合體濕潤，使復(fù)合體容易移動(dòng)。還有，平衡器應(yīng)足夠重，使其能將模具浸沒在基質(zhì)金屬中，它也應(yīng)足夠堅(jiān)固，以防止金屬基質(zhì)復(fù)合體從熔融基質(zhì)金屬中取出時(shí)發(fā)生變形。至少在這些方面，平衡器和阻擋元件都具有許多同樣的特點(diǎn)。
填充模具(3)之后，其開端也用銅箔(9)包裹，其中插有一個(gè)0.6mm直徑的不銹鋼管(10)。經(jīng)不銹鋼管(10)進(jìn)入的氮?dú)饬髁考s為1.5升/分。將模具(3)和管(8)和(10)放在電阻加熱爐內(nèi)，在約2小時(shí)內(nèi)從室溫加熱至約600℃。在600℃下保溫約1小時(shí)，然后填料硬化成為預(yù)型體，在無模具(3)的情況下仍能保持其形狀。應(yīng)理解，也可采用其它硬化溫度，如500℃和600℃，這取決于填料和模具以及其兩端金屬箔蓋的性質(zhì)。一般選擇較高的溫度，以保證填料充分硬化。
在600℃下1小時(shí)后，從爐中迅速取出模具(3)，并將其放入在第二個(gè)電阻加熱爐內(nèi)且溫度約保持在750℃的熔融基質(zhì)金屬池中。該基質(zhì)金屬是鋁合金，其中約含12%(重)硅，3%(重)鎂(Al-12Si-3Mg)。如圖6所示，氧化鋁管(8)是足夠重的，它克服了模具(3)向上的浮力，使其全部浸沒在基質(zhì)金屬合金池(5)中。氮?dú)馐冀K流過模具(3)，直至模具(3)浸沒在池(5)中為止，然后氮?dú)鈩偤迷诔?5)表面的上方流過。
在池(5)中浸沒約1小時(shí)后，銅模具(3)和箔已經(jīng)熔化并分散于基質(zhì)金屬合金之中，這時(shí)基質(zhì)金屬合金已經(jīng)自發(fā)滲入整個(gè)硬化的預(yù)型體，形成了金屬基質(zhì)復(fù)合體。甚至在模具(3)熔化后，預(yù)型體的形狀保持不變，這可能是由于在最初加熱時(shí)氮化鎂的形成和可能發(fā)生的燒結(jié)以及而后在復(fù)合體中含高比例填充所造成的結(jié)果。然后將含有金屬基質(zhì)復(fù)合體的氧化鋁管(8)從基質(zhì)金屬合金池中取出。固化后，從氧化鋁管(8)中容易地取出復(fù)合體。該復(fù)合體具有良好的表面光滑性和完整的形狀。
權(quán)利要求
1.一種制備金屬基質(zhì)復(fù)合體的方法，該方法包括形成熔融基質(zhì)金屬池；形成含有基本非反應(yīng)性填料體的預(yù)型體；將預(yù)形體浸入池中；并且使熔融基質(zhì)金屬至少自發(fā)滲入部分上述預(yù)型體。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，該方法還包括至少在滲透的一段時(shí)間內(nèi)，提供一種滲透氣氛，使其與預(yù)型體和基質(zhì)金屬中至少一種接觸的步驟。
3.根據(jù)權(quán)利要求2的方法，該方法還包括向基質(zhì)金屬，填料和滲透氣氛中至少一種提供至少一種滲透增強(qiáng)劑前體和滲透增強(qiáng)劑中的物質(zhì)的步驟。
4.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，該方法還包括向基質(zhì)金屬和填料中的至少一種物質(zhì)提供滲透增強(qiáng)劑前體和滲透增強(qiáng)劑中至少一種物質(zhì)的步驟。
5.根據(jù)權(quán)利要求3的方法，其中至少一種滲透增強(qiáng)劑前體和滲透增強(qiáng)劑中的物質(zhì)是由外界來源提供的。
6.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，該方法還包括至少在滲透的一段時(shí)間內(nèi)使至少部分填料與至少一種滲透增強(qiáng)劑前體和滲透增強(qiáng)劑中的物質(zhì)接觸的步驟。
7.根據(jù)權(quán)利要求3的方法，其中的滲透增強(qiáng)劑是由滲透增強(qiáng)劑前體與至少一種選自滲透氣氛，填料和基質(zhì)金屬的物質(zhì)反應(yīng)形成的。
8.根據(jù)權(quán)利要求7的方法，在滲透期間，滲透增強(qiáng)劑前體揮發(fā)。
9.根據(jù)權(quán)利要求8的方法，其中揮發(fā)的滲透增強(qiáng)劑前體進(jìn)行反應(yīng)，在至少部分填料中形成反應(yīng)產(chǎn)物。
10.根據(jù)權(quán)利要求9的方法，其中的反應(yīng)產(chǎn)物至少是可被上述熔融基質(zhì)金屬部分還原的。
11.根據(jù)權(quán)利要求10的方法，其中的反應(yīng)產(chǎn)物至少涂敷在部分填料上。
12.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，該方法還包括用阻擋元件限制填料界表面的步驟，其中基質(zhì)金屬自發(fā)滲透到阻擋元件處。
13.根據(jù)權(quán)利要求12的方法，其中的阻擋元件包括一種選自碳，石墨和二硼化鈦的材料。
14.根據(jù)權(quán)利要求12的方法，其中的阻擋元件是基本不被上述基質(zhì)金屬潤濕的。
15.根據(jù)權(quán)利要求12的方法，其中的阻擋元件至少含有一種使?jié)B透氣氛和至少一種基質(zhì)金屬，填料，滲透增強(qiáng)劑和滲透增強(qiáng)劑前體中的物質(zhì)接觸的材料。
16.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中的填料含有至少一種選自粉，片，片晶，微球，須晶，泡，纖維，粒，纖維墊，切削纖維，球，球粒，管和耐火布中的物質(zhì)。
17.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中的填料在熔融基質(zhì)金屬中具有有限的溶解度。
18.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中的填料至少含有一種陶瓷材料。
19.根據(jù)權(quán)利要求3的方法，其中的基質(zhì)金屬含鋁，滲透增強(qiáng)劑前體至少含一種選自鎂，鍶和鈣的物質(zhì)，并且滲透氣氛含氮?dú)狻?br>
20.根據(jù)權(quán)利要求3的方法，其中的基質(zhì)金屬含鋁，滲透增強(qiáng)劑前體含鋅，并且滲透氣氛含氧。
21.根據(jù)權(quán)利要求4的方法，其中在填料和基質(zhì)金屬之間的界面上至少提供一種滲透增強(qiáng)劑和滲透增強(qiáng)劑前體中的物質(zhì)。
22.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中的滲透增強(qiáng)劑前體在基質(zhì)金屬中合金化。
23.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中基質(zhì)金屬含鋁和至少一種選自硅，鐵，銅，鎂，鉻，鋅，鈣，錳和鍶的合金元素。
24.根據(jù)權(quán)利要求4的方法，其中在上述基質(zhì)金屬和填料中至少提供一種滲透增強(qiáng)劑前體和滲透增強(qiáng)劑中的物質(zhì)。
25.根據(jù)權(quán)利要求3的方法，其中向基質(zhì)金屬，填料，和滲透氣氛中一種以上的物質(zhì)中提供至少一種滲透增強(qiáng)劑前體和滲透增強(qiáng)劑中的物質(zhì)。
26.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中在自發(fā)滲透期間的溫度高于基質(zhì)金屬的熔點(diǎn)，但是低于基質(zhì)金屬的揮發(fā)溫度和填料的熔點(diǎn)。
27.根據(jù)權(quán)利要求2的方法，其中的滲透氣氛含有選自氧氣和氮?dú)獾囊环N氣體。
28.根據(jù)權(quán)利要求3的方法，其中的滲透增強(qiáng)劑前體含有選自鎂、鍶和鈣中的一種物質(zhì)。
29.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中的基質(zhì)金屬含有鋁，填料含有選自氧化物，碳化物，硼化物和氮化物中的一種物質(zhì)。
30.根據(jù)權(quán)利要求1或3的方法，其中的預(yù)型體基本全部浸沒在池中。
31.根據(jù)權(quán)利要求2的方法，其中的滲透氣氛鼓泡加入池內(nèi)。
32.根據(jù)權(quán)利要求1或3的方法，其中預(yù)型體安置在用于浸沒預(yù)型體的移動(dòng)式裝置中，該移動(dòng)式浸沒裝置放在池中。
33.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中預(yù)型體連接在用于克服預(yù)型體在池中產(chǎn)生的浮力的平衡裝置上。
34.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中還包括在池上方提供惰性氣體的步驟。
35.根據(jù)權(quán)利要求1或3的方法，其中的預(yù)型體是通過將填料在模具中硬化形成的。
36.根據(jù)權(quán)利要求35的方法，其中的模具是可再使用的。
37.根據(jù)權(quán)利要求35的方法，其中的模具在自發(fā)滲透中自耗掉。
38.根據(jù)權(quán)利要求32的方法，其中移動(dòng)式浸沒裝置含有一個(gè)基座，連接在該基座上的一組桿，可移動(dòng)連接到這組桿的至少一根桿上的蓋和至少連接到基座和蓋之一的柄。
39.根據(jù)權(quán)利要求32的方法，其中移動(dòng)式浸沒裝置包括一個(gè)基座和一個(gè)連接在該基座上的柄，并且預(yù)型體可移動(dòng)地安裝在該基座上。
40.根據(jù)權(quán)利要求1或3的方法，其中形成一個(gè)含數(shù)種基質(zhì)金屬的多層池，預(yù)型體選擇放在池內(nèi)的一層中并保持預(yù)定的時(shí)間。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種制備金屬基質(zhì)復(fù)合體的新方法。具體地講，將一種填料的可滲透體組成預(yù)型體，使其與一種滲透增強(qiáng)劑和/或其前體和/或滲透氣氛至少在過程中的某一階段相聯(lián)系，當(dāng)預(yù)型體被放入熔融基質(zhì)金屬中時(shí)，導(dǎo)致熔融基質(zhì)金屬自發(fā)滲入預(yù)型體。其中可以使用一種將預(yù)型體至少部分地保持在熔融基質(zhì)金屬表面之下的裝置。
文檔編號(hào)C04B41/81GK1042491SQ8910807
公開日1990年5月30日 申請(qǐng)日期1989年10月21日 優(yōu)先權(quán)日1988年11月10日
發(fā)明者約翰·湯姆斯·伯克 申請(qǐng)人:蘭克西敦技術(shù)公司